柔性機械臂輔助大負載空間艙段對接的阻抗控制研究

王春蕾

(河源理工學校，廣東 河源 517000)

柔性機械臂輔助大負載空間艙段對接的阻抗控制研究

王春蕾

(河源理工學校，廣東 河源 517000)

介紹了柔性機械臂輔助大負載空間艙段對接阻抗的幾種方式，即：力控制、位置控制、力位混合控制、順應控制以及阻抗控制，在此基礎上，具體闡述了柔性機械臂輔助大負載空間艙段對接的阻抗控制及所產(chǎn)生的價值，期望能夠為空間艙升級優(yōu)化工作提供一定的參考與指導。

柔性機械臂；大負載空間艙段；對接；阻抗控制

1 控制方式

（1）力控制。柔性機械臂輔助大負載空間艙段進行力控制，能夠完成系統(tǒng)性更加復雜的任務，如：插拔件的使用、空間模塊的更換、相關設備的裝配等。在關節(jié)安裝力傳感器或者安裝機械臂末端的時候，進行力控制，可以在未知環(huán)境下，使得機械臂與環(huán)境相適應，且避免了強硬的碰撞或者干涉事件的發(fā)生，實現(xiàn)柔順控制，這樣能夠有效的體現(xiàn)出機械臂的智能化特點。但是，進行力控制，使得機械臂在一定程度上可以放緩或者放寬指標的精度，從而導致整個機械臂的質(zhì)量、加工制造等精度比較欠缺，使得機械臂的末端絕對位置難以控制。

（2）位置控制。柔性機械臂輔助大負載空間艙段位置控制，主要負責控制機械臂末端的位置以及相應的姿態(tài)，最終實現(xiàn)機械臂從一個現(xiàn)有的位置中轉(zhuǎn)換到目標位置，或者對這個連續(xù)的轉(zhuǎn)換路徑進行控制，是大負載空間艙段最基礎性的控制模式，但是，由于位置控制只局限于位置移動、機械臂轉(zhuǎn)移艙段，對于裝配、對接等復雜性比較強的任務來說，難以控制。

（3）力位混合控制。給予上述的力控制、位置控制各自的優(yōu)勢和劣勢，進行力位混合控制，即機械臂在執(zhí)行任務時，會發(fā)現(xiàn)部分自由度只能進行位置約束，部分自由度只能進行力約束，在這樣的狀態(tài)下，只能在位置約束的基礎上進行位置控制，力約束的基礎上進行力控制。舉個例子，機械臂空載在移動狀態(tài)下，機械臂末端不受任何力的約束，其關節(jié)部位只有位置約束，因此，需要進行位置控制，或者機械臂攜帶艙在進行對接任務時，這個過程或發(fā)生一定程度的接觸碰撞，產(chǎn)生力，具有較強的力約束，從而需要進行力控制。筆者這里提到的位置控制與力控制之間的轉(zhuǎn)換，往往建立在一種特定的工作模式基礎上。

（4）順應控制。所謂的順應控制是指：機械臂對外界環(huán)境變化的適應能力，在順應控制模式下，機械臂與外界環(huán)境之間的接觸，即使外界環(huán)境發(fā)生一定程度的變化，只要加以順應控制，機械臂末端仍然能夠保持預定的預緊力。順應控制實質(zhì)上是一種力位混合控制，能夠被劃分為主動柔順和被動柔順。

（5）阻抗控制。阻抗控制實質(zhì)上是對機械系統(tǒng)剛度的推廣，而且在某種或者特定方向上的機械阻抗往往是這個方向上的動態(tài)力增量/動態(tài)位移增量的比值，阻抗控制屬于控制系統(tǒng)中的虛擬剛度范疇。另外，阻抗控制不是直接控制力或者直接位置，而是控制力和位置之間的動力學關系。阻抗控制能夠根據(jù)關節(jié)變量或者機械臂末端的位置變化，通過分析、判斷期望的關節(jié)剛度（或者系統(tǒng)剛度）、阻尼等指標，客觀的計算出關節(jié)力矩，從而獲取期望力或者期望位置的合理控制。

2 具體分析

柔性機械臂輔助大負載空間艙段對接主要是：利用安裝在被動艙上的空間機械臂將主動艙抓住，進行相應的運動，使得主動艙的對接口與被動艙的對接口相連接，為其運行提供動力，并且有效的克服對接機構(gòu)在捕獲過程中所產(chǎn)生的阻力，實現(xiàn)主動艙和被動艙的安全對接。并且大負載空間艙段對接全面的加強柔性機械臂輔助控制，消除大負載慣性力對測量產(chǎn)生的負面影響，增強空間柔性機械臂的剛度。

在上述的控制方式的基礎上，柔性機械臂輔助大負載空間艙段對接的阻抗控制，能夠促使實驗艙富有大負載、關節(jié)柔性、臂桿柔性等特點，而且在操作過程中，對整體任務的慣性力、離心力造成嚴重的影響，因此，采用力控制、位置控制、力位混合控制、順應控制以及阻抗控制等方式，推導空間機械臂的關節(jié)輸入力矩，在此基礎上，構(gòu)建空間機械臂阻抗控制程序（基于動力學），最終獲取最佳的阻抗控制手段，實現(xiàn)復雜任務的對接。經(jīng)探究，發(fā)現(xiàn)：柔性機械臂輔助大負載空間艙段對接的阻抗控制，可克服外力干擾，實現(xiàn)期望位置、期望力的科學歸位，并且不需要額外添加力傳感器，便可以徹底的消除大負載慣性力對測量所產(chǎn)生的負面影響，從而全面的提升空間艙的運行安全性。

綜合上述的分析，可知：柔性機械臂輔助大負載空間艙段對接的阻抗控制與外界環(huán)境變化之間具有一定的聯(lián)系，而且在環(huán)境變化或者自由軌跡驅(qū)動變化的情況下，需要針對實際情況，采用不同的阻抗控制方式（力控制、位置控制、力位混合控制、順應控制以及阻抗控制），熟練掌握切換控制策略。在對接位置的質(zhì)量檢測及識別任務中，及時切換位置控制與阻抗控制，對整個任務完成的客觀性、完整度等具有重要作用，只有保證及時的轉(zhuǎn)換，才可能避免碰撞力的產(chǎn)生，全面提升工作效率及質(zhì)量。另外，柔性機械臂輔助大負載空間艙段對接的阻抗控制實現(xiàn)了大負載慣性力對測量產(chǎn)生的負面影響消除，能夠客觀獲取期望的關節(jié)剛度與實際剛度之間的差別，根據(jù)差別，及時調(diào)整相應的操作方案，盡可能降低失誤，從而全面提升空間艙的運行安全性、有效性，創(chuàng)造出更多的社會價值。

總的來說，柔性機械臂輔助大負載空間艙段對接的阻抗控制是對空間艙運行性能的檢測與升級，能夠有效提升空間艙運行的有效性及安全性，具有較強的應用探討價值。

3 結(jié)語

總而言之，力控制、位置控制、力位混合控制、順應控制以及阻抗控制是柔性機械臂輔助大負載空間艙段對接阻抗的幾種主要方式，實現(xiàn)柔性機械臂輔助大負載空間艙段對接的阻抗控制，需要針對實際情況，科學的選取控制方式，熟練的掌握各種對接控制方式的轉(zhuǎn)換策略，及時的消除各種各樣的負面營銷，才能提升空間艙的運行安全性。

Research on Im pedance Control of Flexible mechanical arm Auxiliary to big load Com partment Space Docking

WANG Chun-lei
（Heyuan Polytechnic School，Heyuan，Guangdong 517000，China）

The article simply introduces severalways of impedance control of the flexiblemechanicalarm auxiliary to big load compartment space docking，namely，the force control，position control and hybrid force control，compliance control and impedance control.It also elaborates the impedance control of the flexiblemechanical arm auxiliary to big load compartment space docking and itsvalue，expecting to provide certain reference for the optimizationwork of the space cabin upgrade.

flexiblemechanicalarm；the big load compartmentspace；docking；impedance control

V52

A

2095-980X(2016)08-0047-02

2016-07-03

王春蕾（1982-），女，廣東龍川人，大學本科，主要研究方向：教育。